Как сделать ионизатор воздуха своими руками

Перевод статьи из блога индийского инженера Амальдева В.

Этот проект вызревал у меня в голове порядка двух лет, и я всё никак не мог им заняться. В проекте нет ничего сложного или слишком технологичного. Любой человек, умеющий мастерить что-либо руками, должен с ним справиться без особых проблем. Я выложил весь проект в свободный доступ, и у вас должно получиться заказать все запчасти и собрать свой прибор, потратив менее, чем $10.

Предыстория

Я сейчас живу в Мумбаи, в квартире, выходящей окнами на очень загруженную дорогу. И с момента моего заезда сюда я борюсь с пылью, которая оседает на всём, стоит мне открыть окна. Еженедельная уборка квартиры отнимает много сил. И я решил купить очиститель воздуха для комнаты. А потом подумал: а насколько сложно будет собрать очиститель самому? Я провёл исследование и решил, что нужно сделать себе ионизатор (кстати, ионизатор и очиститель – это два разных устройства, но об этом позже). Однако потом я зарылся в текущих проблемах и так его и не собрал. https://www.instagram.com/p/B6pRxfXJ_jU/
Но в последнее время многие спрашивали меня, как я проектирую и делаю устройства, и я решил в качестве примера дать этот относительно простой проект и подробно описать его создание в виде инструкции

Так что давайте сделаем ионизатор.

Исследования

Если вы хотите что-то сделать самостоятельно, сначала проведите исследования при помощи Google. В нашем случае давайте разберёмся, что такое ионизатор, и на каком базовом принципе он работает.
Ионизатор воздуха (или генератор отрицательных ионов, или люстра Чижевского) – это устройство, использующее высокое напряжение для ионизации (электрического заряда) молекул воздуха. Отрицательные ионы, или анионы – это частицы, имеющие один или несколько лишних электронов, из-за чего их общий заряд оказывается отрицательным.

Пока вроде просто. Ионизаторы используются для удаления частиц из воздуха путём придания им отрицательного заряда, после чего эти частицы притягиваются к положительно заряженной поверхности (стене/полу). В итоге частицы гораздо быстрее оседают, оставляя воздух чистым. Именно это нам и нужно – удалить пыль из воздуха, чтобы не вдыхать её.

Так что, поискав всего 5 минут, мы уже знаем, что нам нужно сделать систему с высоким напряжением, придающую отрицательный заряд частицам. Сначала это меня немного обескуражило, поскольку я раньше не делал системы с высоким напряжением, и если играться с подобными системами неосторожно, всё может закончиться плохо.

Затем мы идём и ищем уже имеющиеся на рынке устройства, работающие на основе данной технологии. Я делаю это для того, чтобы понять, какого рода схемы люди использовали для создания подобных приборов. Если на рынке есть устройство с такой же технологией, учитесь на его основе.

Люди потратили на создание устройства много инженерных человеко-часов. Учитесь на их примере, чтобы сделать свою систему, которая по меньшей мере похожа на готовую, или учитесь на чужих ошибках и сделайте систему лучше.

Для подобных целей вам тоже лучше всего поможет Google. Я находил несколько подтверждений тому, что ионизаторы делали ещё в 1980-е. Если эта технология настолько стара, я могу посмотреть на описание того, как эти устройства разбираются. Ищем в Google «ioniser teardown», и находим кучу видео, на которых видно внутренности устройства. Рекомендую очень хорошие видео за авторством BigClive.

На основе этих роликов я понял, что высоковольтную систему можно сделать при помощи умножителя напряжения, и что это не так уж и сложно. Так что давайте перейдём к проектированию электроники.

Автомобильный ионизатор

Автомобили – это такие же замкнутые пространства, как и обычные помещения. Отличие их в том, что помимо микроскопической пыли, собирающейся внутри салона, негативного воздействия имеющихся электрических устройств, к перечню вредных факторов добавляется повышенная степень влияния бензиновых и масляных выбросов. В таких условиях ионизирующее устройство, безусловно, необходимо. Можно его купить, а можно, опять же, собрать самостоятельно.

Прежде всего, следует понять принцип работы такого прибора: он связан с преобразователем напряжения. Схема преобразователя является простейшей для всех тех, кто хоть немного разбирается в технике. Активным элементом в ней служит транзистор. Лучше всего использовать транзисторы серии КТ 818 или КТ 819, в этом случае в схеме практически ничего не придется менять. В качестве умножителя напряжения используем диоды КЦ106 и аналоги.

При выборе конденсатора обращайте внимание на его рабочее напряжение, которое должно быть в промежутке от 3 до 6 кВ, и на емкость – 600-4500 мкФ.

Обмотку готового трансформатора следует делать по слоям, каждый из которых должен состоять из 100 витков. Каждый слой подлежит очень тщательной изоляции. После проделанных манипуляций трансформатор желательно залить эпоксидной смолой. Ждем, когда смола высохнет, подключаем таймер, соединяем с умножителем напряжения, раздвигаем выходные провода до 3 см и подключаем к сети.

Проектирование электроники

Нам нужен умножитель напряжения. Сначала узнайте всё, что можно, из бесплатного контента. Никогда не делайте чего-либо, не обучившись сначала всему, что можно, бесплатно. Это очень важно.
Вам необходимо потратить время на исследования, или же вы будете делать одни и те же ошибки. Я пару часов занимался изучением устройства умножителей напряжения. Чаще всего используется наиболее простое решение, генератор Кокрофта — Уолтона.

Один из принципов, которых я пытаюсь придерживаться при разработке сложных решений — Keep IT Simple, Stupid. Или просто KISS.

Поэтому для меня подходил вариант генератор Кокрофта — Уолтона. Его разработали в 1932 году, и с тех пор использовали уже в сотнях устройств. Поэтому это достаточно надёжный вариант для реализации. Ещё немного погуглив, я нашёл видео Дэйва Джонса с объяснением принципа работы этой схемы. Рекомендую посмотреть видео, чтобы лучше разобраться в этом.

По сути, схема состоит из двух диодов и двух конденсаторов, соединённых «спина к спине». На вход подаётся переменный ток с пиковым напряжением Vp. Первая часть схемы сдвигает входящий сигнал так, что на выходе получается постоянный ток с пиковым напряжением 2Vp. Добавив ещё одну ступень, мы получаем 4Vp. Вы могли бы подумать, что следующая ступень увеличит эту величину до 8Vp, но нет – только до 6Vp.

Добавляя ступени, мы увеличиваем выходное напряжение. 2Vp, 4Vp, 6Vp, 8Vp, 10 Vp, 12Vp, и так далее, относительно входного. По крайней мере, теоретически – на практике в схеме будут потери, и выход будет не таким большим, но для наших целей он и не должен быть чрезвычайно точным.

Возвращаясь к нашей системе: мы хотим выдать постоянный ток высокого напряжения (порядка 6-7 кВ). Для упрощения схемы я решил подавать на неё 230 В AC напрямую (таково напряжение в индийской электросети) [как и в российской / прим. перев.]. Предположим, мы сделаем умножитель с 15 ступенями, тогда на выходе получим DC напряжением 230В x 2 x 15 = 6900 В (теоретически). Достаточно для ионизации.

Я бы мог добавить на вход трансформатор, и сильнее увеличить выходное напряжение с меньшим количеством ступеней, но для первого прототипа я хотел сделать всё очень просто. Поэтому оставим 15 ступеней и входное напряжение 230 В.

Дальше нам нужно выбрать компоненты. Схема очень простая – два конденсатора и два диода на ступень. Как нам подбирать их значения и номинальную мощность?

И вот тут вам пригодится правильное понимание принципа работы схемы. Можно видеть, что на каждой ступени напряжение на диодах или конденсаторе не превышает 2Vp. Разница потенциалов всегда 2Vp, поэтому нам не нужно тратиться на высоковольтные диоды и конденсаторы. Поскольку на вход приходит 230 В, достаточно будет любого конденсатора, рассчитанного на 500 В или выше. Ёмкость его не важна, поэтому я выбрал конденсатор на 0,1 мкФ и 630 В. Я выбрал поверхностный монтаж, поскольку привык паять такие компоненты. Диоды я выбрал 1N4007 на 1000 В. Основное готово. Список материалов можно .

Озонатор воздуха своими руками

В последнее время огромную популярность набирают приборы называемые «Генератор озона» по простому «Озонатор», применяются для озонирования воды, воздуха, продуктов питания, уничтожения опасных для жизни человека микробов, бактерий, микроорганизмов и вредных летающих, бегающих, ползающих насекомых. В продаже имеется огромное количество озонаторов, цена девайсов колеблется в широких диапазонах, порой достигающих космических значений. Поэтому, дорогие друзья, предлагаю вам сделать простой, озонатор воздуха своими руками, из доступных деталей. На этом рисунке изображена простая схема озонатора воздуха, собрать её по плечу даже школьнику.

Схема состоит из генератора прямоугольных импульсов собранного на микросхеме таймере NE555. Принцип работы устройства простой, генератор вырабатывает прямоугольные импульсы частотой 1 кГц и скважностью 50%. Для тех кто не в курсе поясняю: Скважность это безразмерная величина, является классификационным признаком импульсной системы, она определяет отношение периода повторения импульсов к длительности импульса. Далее с третьей ноги микросхемы импульс поступает через ограничительный резистор R1 на базу усилительного транзистора Т1, который открывается и пропускает ток через обмотку строчного трансформатора (ТДКС).

Напряжение на выходе из трансформатора повышается до 25-30 кВ в зависимости от модели ТДКС. Высокое напряжение подается на разрядник и происходит коронный разряд в результате, которого вырабатывается газ озон. Хочу заострить ваше внимание на том, что в этом девайсе только на частоте 1 кГц будет происходить коронный разряд. Если поднять частоту более 2-5 кГц, то получится жгучая электрическая дуга в процессе горения будет выделяться большое количество тепла. Не путайте эти две вещи. Для сборки генератора озона вам понадобятся следующие детали:

Радиодетали для сборки генератора озона

• Микросхема NE555 или аналог КР1006ВИ1
• DIP панель для микросхемы SCS- 8 (DS1009 — 8AN )
• Транзистор Т1 MJE13007, MJE13009, КТ805, КТ819 и другие структуры n-p-n рассчитанные на ток не менее 5А
• Линейный стабилизатор напряжения L7809CV
• Конденсаторы неполярные С1 10 нФ (103), С2 1 мкФ (105)
• Резисторы 0.25 ватт R1 100 ом, R2 1K, R3 71K
• ТДКС практически любой от импортного цветного телевизора
• Радиатор например от компьютерного блока питания
• Металлическая труба диаметром 25 мм, длина 120 мм

Все детали располагаются на маленькой печатной плате размером 22х28 мм. Также разрешаю собирать генератор озона навесным монтажом.

Главной деталью озонатора является строчный трансформатор, достать его можно из любого импортного телевизора. Почему из импортного? Потому, что в импортных ТДКС встроенный диодный умножитель напряжения. Модель трансформатора и телевизора никакого значения не имеет. У всех ТДКС одинаково расположены три пина нужные для нашей самоделки, единственное отличие на некоторых строчниках может быть один, два или три бронепровода и отсутствие незадействованных пинов. Тонкие провода можно отрезать, оставить лишь самый толстый, центральный, бронепровод.

Транзистор будет сильно нагреваться, поэтому его следует закрепить на радиатор с достаточной площадью для нормального охлаждения. Конец бронепровода выходящего из строчного трансформатора надо очистить от изоляции и немного распушить металлические жилки, придав форму кисточки. Перед запуском озонатора расположите конец бронепровода примерно в сантиметре от края трубы.

Правильно собранное из исправных деталей устройство начинает работать сразу и в настройке не нуждается. После подачи питания на генератор между проводом и трубой появится голубое свечение исходящее от каждой жилки бронепровода, это тот самый коронный разряд сопровождающийся громким шипением и выделением большого количества едкого газа озона. Прибор потребляет всего 0.8А.

Разработка печатной платы

Выбрав важные компоненты, давайте выберем остальное. Нам нужно включать устройство в розетку, поэтому на выходе нам нужен резистор с достаточно большим значением, чтобы чего не вышло (например, чтобы, если вы случайно коснётесь схемы, через вас не пошёл ток). Также мне бы хотелось уменьшить ток до минимума, чтобы устройство потребляло как можно меньше энергии при включении. Я выбрал два резистора на 10 МОм (0,25 Вт, допуск 1%, корпус 1026), и это даст нам токи, измеряемые в микроамперах.
Для покупки компонентов я выбрал магазин LCSC.com. Там дешевле, чем в Digikey или Mouser. Поиск по параметрам дал мне резистор 1206W4F1005T5E.

Также мне хотелось бы установить светодиодный индикатор, загорающийся при включении устройства. Ток, идущий через него, должен быть очень маленьким. Я использовал этот светодиод в других проектах, он довольно хорошо светит при токе в 2 мА. Для ограничения тока я взял два резистора на 51 кОм (230 В / 2 мA даёт 115 кОм). Два резистора сильнее рассеивают тепло (P=I2R: (2 мА)2 x 51 кОм = 0,2 Вт). Поэтому я выбрал два резистора на 51 кОм и 0,5 Вт. На LCSC это CR1210J51K0P05Z.

Теперь нам нужно понять, что будет на выходе. Из разбора готовых ионизаторов следует, что для передачи отрицательных ионов пылинкам нам нужно нечто острое. Я решил использовать швейные иглы, припаяв их к большой площадке на выходе. Я выбрал набор иголок на местном рынке за 30 рупий ($0,4). В принципе, подойдёт любой токопроводящий материал с острыми концами. Лучше всего будет работать углеволокно с острыми кончиками. Чем больше острых кончиков, тем больше ионизация.

Учтя всё это, давайте проектировать плату. Для данного проекта я использую Eagle. Схема у меня получилась следующая:

У неё есть две площадки для входа для переменного тока, 15 ступеней умножителя, резисторы для уменьшения тока, большая площадка на выходе и схема для светодиодного индикатора. Рекомендую всегда записывать номера компонентов, которые вы используете, чтобы в будущем было проще искать и заказывать их. Все компоненты обошлись мне в $7,8, и большая часть этого ушла на конденсаторы.

Я решил сделать эту схему вытянутой в длину. Для монтажа платы я разместил отверстия по углам, и использую отверстия для винтов М3. Размеры платы – 145 х 40 мм, слева вход, справа – большая площадка для припаивания острых игл. Убедитесь, что направления размещения диодов размечены, из-за этого собирать устройство будет гораздо проще.

Теперь нужно нарисовать плату в формате Gerber и отправить производителю. Я сотрудничаю для этих целей с JLCPCB. Стоимость прототипов плат получается очень низкой. Плата обойдётся вам в $0,8 (не считая доставки) при покупке 10 штук.

Если хотите удалить моё имя, дату и название платы из файлов, отредактируйте файлы Eagle Board. Вот, как будет выглядеть итоговая плата:

Можно импортировать её в Fusion 360 и получить вот такую красоту:

Я скомбинировал заказ платы у JLCPCB и компонентов с LCSC. При совместном заказе идёт скидка на доставку в $15. Стоимость платы и компонентов получается примерно $9 (не считая доставки). Мне всё пришло за полторы недели. У JLC есть сервис сборки плат, но я люблю всё делать сам.

Сборка и проверка

Вот, какая получилась плата у JLCPCB. Я выбрал отделку ENIG-RoHS, потому что она красивее. Но отделка HASL будет дешевле.

Пайка всех SMD-компонентов заняла у меня примерно час. В местном магазине я купил 2 метра провода и вилку для подсоединения к розетке. Узел на проводе я завязал, чтобы провод не вылезал из вилки.

Следующий шаг не обязательный, но я его очень рекомендую. Я обратился в фирму, где есть лазерная резка, взял с собой кусочек оргстекла толщиной 3 мм, и вырезал из него защитную крышку. Я рекомендую сделать такую – когда я тестировал плату, меня пару раз ощутимо ударило током, когда я случайно прикасался к конденсаторам. DXF-файл для резки тоже есть вместе со всеми файлами.

Я прикрутил крышку к плате при помощи пластиковых винтов М3 длиной 5 мм и сделал пластиковые ножки длиной 20 мм.

Я припаял семь иголок к выходной площадке. Чем больше, тем лучше. Разница в длине значения не имеет.

Пришло время включить устройство в розетку и проверить. Светодиод должен загореться, и в идеале устройство должно заработать.

По-быстрому проверить работоспособность можно, поднеся мокрые ладони к иголкам (только не касайтесь их!). Вы почувствуете движение холодного воздуха, идущего от иголок. Это идёт ионизация. Отрицательные ионы отталкиваются и постоянно летят в сторону от кончиков иголок.

Чтобы доказать, что устройство может заставлять выпадать в осадок дым и пылинки, я подготовил прозрачный кувшин, наполнил его дымом, и засунул в него устройство иголками внутрь. После включения устройства частицы дыма осели очень быстро.

https://www.instagram.com/p/B6pRxfXJ_jU/

На видео кажется, что дым рассеивается из-за дующего в кувшине воздуха. На самом деле, никакого сквозняка там нет – кувшин закрыт. Эффект возникает из-за отталкивания отрицательных ионов, и воздух очень быстро начинает циркулировать по кувшину.

Убедившись, что устройство работает, я подсоединил его к розетке и оставил работать. Оно должно рассеивать пыль вокруг себя без проблем. В идеале установить его рядом с окном, где дует сквозняк, чтобы устройство ионизировало всю проходящую мимо пыль. Я планирую поставить его так и оставить включённым.

Что насчёт энергопотребления? Оно весьма мало. Больше всего потребляет светодиод. Он забирает порядка 2 мА. За год устройство должно накрутить 230 В x 2 мА x 24 ч 365 д = 4 кВт*ч. У нас это будет стоить 4 рупии ($0,05) в год. Чтобы ещё сэкономить, можно просто убрать из схемы светодиод, тогда энергопотребление будет в 1000 раз меньше, и вряд ли его вообще можно будет заметить на счётчике.

Вот так мы и собрали ионизатор всего за $10. Надеюсь, он поможет уменьшить количество пыли, оседающей в ваших лёгких.

После того, как он поработает пару недель, вы заметите, что пыль начинает скапливаться вокруг него. Это нормально. Лучше она осядет там, чем вы будете её вдыхать.

Для США и стран, где напряжение равно 110 В, выходное напряжение будет меньшим (теоретически около 3 кВ), но ионизатор всё равно должен работать.

Что ещё можно улучшить в устройстве: заменить иголки на проводящие щётки из углеволокна. Чем больше у устройства острых концов, тем лучше ионизация. Если распределить острия по большой площади, то увеличиваются шансы ионизации большего объёма воздуха.

Что потребуется для сборки?

Перечень необходимых изделий и материалов будет зависеть от вида самодельного ионизатора. Начнем с самой простой конструкции. Для изготовления такого прибора нам понадобится:

• пара пластмассовых коробочек из двух половинок, которые находятся внутри каждого «Киндер-Сюрприза»;
• пара проводов диаметром 0,5 мм;
• разборная штепсельная вилка;
• изолента;
• ножницы;
• игла.

Попробовав свои силы в изготовлении элементарного ионизатора, можно будет перейти к более сложной версии, предназначенной для применения в автомобиле. Для создания такого прибора понадобятся следующие компоненты:

• трансформатор;
• генератор преобразователя.

Тип генератора значения не имеет, вполне подойдет даже одноконтактный.

Если среди старого хлама в гараже или в кладовке у вас найдется распространенный когда-то интегральный таймер марки «555», генератор можно извлечь из него. Он имеет примитивное устройство, но для самодельного ионизатора вполне сгодится.

Послесловие

После выхода этой статьи некоторые люди обеспокоились тем, что прибор может генерировать также и озон. Однако схема работы генератора озона немного отличается (хотя принцип коронного разряда остаётся тем же). За те пару недель, что у меня работает этот прибор, он, судя по всему, никакого озона не генерирует (или его настолько мало, что я его не ощущаю).
Также касательно разницы ионизаторов и очистителей воздуха. Ионизатор не может служить заменой фильтрам HEPA, устанавливаемым в очистители. Ионизаторы лишь помогают осаждать пыль из воздуха. Эти частицы так и остаются на полу. Он не улавливает частицы дыма, как это делает очиститель с фильтром.

Польза и вред приборов

Ионизатор воздуха нужен для того, чтобы очищать воздух от пыли и бактерий. Прибор, вырабатывающий ионы, может как положительно сказываться на организме, так и отрицательно. Полезных эффектов, конечно, больше: улучшается самочувствие, укрепляется иммунитет, проходит усталость, исчезает общее напряжение, повышается настроение. Особенно ионизация полезна людям с астмой и бронхитом, так как увеличивается приток кислорода к тканям. Однако, очищая помещение от бактерий и спор, неприятных запахов и пыли, прибор создает дополнительные хлопоты для человека.

Рекомендуем ознакомиться: Инструкция по демонтажу кондиционера своими руками

После обработки жилища ионизатором следует сделать тщательную влажную уборку, чтобы убрать осевшую на мебель и стены пыль с различными вредными частицами и микробами. Если в доме есть домашние животные, желательно приобрести ионизатор, оснащенный счетчиком ионов. Будущим мамам нужно соблюдать осторожность при пользовании прибором ионизации воздуха.

Пользу и вред он может принести самочувствию беременной женщины в зависимости от выбранного аппарата, так как у каждого из них могут быть свои противопоказания.

Перед приобретением надо обязательно посоветоваться с врачом, чтобы не навредить себе и будущему малышу. Для маленьких детей ионизированный воздух тоже полезен, но во время проведения процедуры их не должно быть в помещении, а через два часа нужно в комнате сделать влажную уборку. Что касается новорожденных детей, то для них лучше всего подойдет соляная лампа, не выделяющая озон. Комната очищается и наполняется ионами естественным образом. Ребенок лучше спит, организм оздоравливается.

Необходимо знать, что при частом применении ионизатора в комнате происходит накопление статического электричества, поэтому наличие счетчика на приборе обязательно. Ионизатор нельзя использовать для онкологических больных. Это связано с тем, что аэроионы содействуют обмену веществ, улучшают питание клеток, в том числе и больных тканей, что ведет к их росту. Также вредна ионизация после перенесенной операции и при различных воспалениях в организме. Воздух, насыщенный ионами, нежелателен и для больных с нервными расстройствами, а также при заболеваниях суставов.

Безопасность

Если вы решите собрать такой прибор, будьте осторожны. Примите меры при работе с переменным током высокого напряжения на входе и постоянным током на выходе. Не давайте прибор детям.
Убедитесь, что кабели для переменного тока хорошо припаяны, и что оголённых проводов нет за пределами платы.

Используйте пластиковую крышку, не прикасайтесь к компонентам схемы, когда она включена. Разряжайте конденсаторы, закорачивая их проводником с изолированной ручкой,

Сделайте узел на проводе питания там, где он подходит к плате, чтобы его никто не вырвал из платы.